锂电池电源管理系统控制单元设计

摘要
锂离子电池的众多优点使其在小型便携设备中获得了广泛应用，但与镍铬、镍氢电池不同的是锂离子电池需要更安全高效的充电控制，并随着智能化程度的进一步发展，迫切需要一个高精度的锂电池监测电路以全面掌握电池状态,决定控制策略,从而提高系统运行可靠性。

鉴于此，本文在分析锂离子电池充电技术的发展趋势和充电过程性能特点的基础上，提出了一种电源管理系统控制单元设计。

这种控制单元主要由基于DS2741的监测电路、基于MAX1898的充电电路和基于AT89C51控制单元构成。

本文具体的内容包括锂电池充电技术、充电电路设计以及监测电路设计等。

最后总结了本次研究的工作目标，研究进展和发展前景。

关键词：锂离子电池；电源管理；充电电路；监测电路
Abstract
Numerous advantages of the lithium-ion battery make it acquire the extensive application in Small portable devices, but different from chrome of nickel , the nickel hydrogen battery is the lithium-ion battery to need the safety to refresh the control efficiently, and along with the further development that the intelligence turns the degree, need a lithium battery of high accuracy monitor electric circuit urgently to control the battery appearance completely, decide to control the strategy, thus raise the system movement credibility.Owing to this, this text on the basis of the analysis of lithium-ion battery charging technology trends and charging process performance , put forward a kind of power management system control unit design.The control unit by the monitoring circuit based on the DS2741, MAX1898-based charging circuit and control unit based on AT89C51 composition.the concrete contents include Li-ion battery charging technology, charging circuit design and testing of circuit design etc..Tallied up a work target for study finally, the research makes progress and development prospects.
Keyword: The lithium-ion battery;Power Management;Refresh the electric circuit;
Monitor electric circuit
目录
第1章绪论 (1)
1.1传统锂电池充电器的不足 (1)
1.2基于单片机管理系统的基本功能和优点 (1)
1.3课题研究的对象和意义 (1)
第2章电池的充电方法与充电控制技术 (3)
2.1电池的充电方法和充电器 (3)
2.1.1 电池的充电方法 (3)
2.1.2 充电器的要求和结构 (7)
2.1.3单片机控制的充电器的优点 (8)
2.2充电控制技术 (9)
2.2.1 快速充电器介绍 (9)
2.2.2 快速充电终止控制方法 (10)
第3章基于MAX1898的锂电池充电器设计 (13)
3.1单片机电路 (13)
3.2电压转换及光耦隔离电路 (15)
3.3电源电路 (17)
3.4充电控制电路 (19)
3.4.1MAX1898充电芯片 (19)
3.4.2充电控制电路的实现 (23)
3.5程序功能 (25)
3.6主要变量说明 (25)
3.7程序流程图 (26)
第4章基于DS2741的锂离子监测电路设计 (29)
4.1硬件电路设计 (29)
4.2软件设计 (32)
结论与展望 (36)
致谢 (37)
参考文献 (38)
附录A 电路原理图及其PCB图和实物图 (39)
附录B 主要源程序 (42)
第一章绪论
1.1传统锂电池充电器的不足
充电控制器实现的方式不同导致其充电效果不同。

目前市场上很多采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。

也有一些低成本的充电控制器采用电压比较法．为了防止过充一般充电到90％就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。

一般地，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电控制器在充电终了时电池经常发烫(电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充)。

对电池经常出现过充和欠充的缺点已越来越不能满足人们的需要。

锂电池的使用寿命和单次循环使用时间与充电维护过程和使用情况密切相关。

一部好的充电控制器不但能在短时间内将电量充足。

而且对电池还能起到一定的维护作用，修复由于使用不当而造成的记忆效应，即容量下降(电池活性衰退)现象。

因而传统的普通充电控制器存在明显的不足。

1.2基于单片机的电源管理系统的基本功能与优点
单片机负责控制整个系统的运行，包括充电时参考电压电流值的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭，根据充电电流、温度、剩余电量等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能。

单片机控制的充电器，具备业界公认较好的－△V检测，可以检测出电池充电饱和时的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。

这些充电器芯片往往具备了充电过程的控制，加上单片机管理功能，例如温度控制、时间控制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等。

可以完成一个较为实用的充电控制器。

同时利用监测芯片监测电池的充电电流、温度、剩余电量以适时了解电池的状态并实现对电池的一系列保护功能。

随着电子技术的发展。

芯片体积小型化及其价格的降低．电源智能管理系统地大规模的批量生产已经成为可能。

电源智能管理系统具有操作简单、功能强大、可靠性高和通用性强等优点，也是未来电源控制发展的主要方向。

因此，电源智能管理的研究与应用具有深远的现实意义。

1.3.课题研究的对象及其意义
本课题研究的对象主要是锂离子电池的充电原理、充电控制和状态监测。

其中需要解决的问题有:
(1)能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理。

(2)解决充电时间长、充电效率低的问题。

(3)改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命。

(4)通过加强单片机的控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更大的灵活性，且成本低。

(5)通过监测芯片了解锂电池的基本状态，实现对电池的一系列保护功能。

本课题研究的意义在于：
(1)充分研究锂离子电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池管理途径。

(2)使电源系统具有完善的自诊断功能和适时处理功能。

(3)实现充电器具备强大的功能扩展性，以便为该充电器的后续功能升级提供平台。

第2章电池的充电方法与充电控制技术
2.1电池的充电方法和充电器
2.1.1电池的充电方法
1.恒流充电
(1)恒流充电
充电器的交流电源电压通常会波动，充电时需采用一个直流恒流电源(充电器)。

当采用恒流充电时，可使电池具有较高的充电效率，可方便地根据充电时间来决定充电是否终止，也可改变电池的数目。

恒流电源充电电路如图2-1所示。

图2-1 恒流电源充电电路
(2)准恒流充电
准恒流充电电路如图2-2所示。

在此种电路中，通过直流电源和电池之间串联上一个电位器，以增加电路内阻来产生恒定电流。

电阻值根据充电末期的电流进行调整，使电流不会超过电池的允许值。

由于结构简单、成本低廉，此种充电电路被广泛应用充电器中。

图2-2 准恒流充电电路
2.恒压充电
恒压充电电路如图2-3所示。

恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充电。

当对电池进行这一充电时，电池两端的电压决定了充电电流。

这种充电方式的充电初期电流较大，末期电流较小。

充电电流会随着电压的波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免时电池过充电。

另外，这种充电方式的充电末期电压在达到峰值后会下降。

电池的充电电流将变大，会导致电池温度升高。

随着电池温度升高，电压下降，将造成电池的热失控，损害电池的性能。

图2-3 恒压充电电路
3.浮充方式。